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临近空间拦截器末制导及控制问题研究

杨源  
【摘要】:临近空间高超声速飞行器是当今各国发展远程精确打击战略的重点研究方向。有矛必有盾,如何防御临近空间来袭目标亦是关系国家安全的重要问题。临近空间拦截时弹目相对速度巨大,通常采用动能杀伤的方式来拦截目标,这就对拦截器的制导控制精度提出了很高的要求。本文主要对临近空间拦截器的末制导律及控制问题进行了研究,设计了一套适用于临近空间拦截器的制导控制系统,主要工作如下:建立了临近空间拦截器的动力学模型。参考美国的THAAD动能拦截弹头,设计了拦截器的结构模型。在此基础上推导了拦截器的动力学方程,分析了拦截过程中拦截器所受到的力和力矩的产生机理与数学模型。设计了临近空间拦截器末制导律。首先推导了临近空间拦截三维弹目相对运动方程,设计了一种可用作末制导律的滑模变结构制导律,并依据Lyapunov稳定性定理对其稳定性给出证明。考虑到制导律的实现,设计了一个用于估计目标机动加速度上限的估计器,给出了抖振问题的解决方案。最后对拦截三种目标机动形式的场景进行了仿真,通过对相同工况下比例导引与滑模变结构制导律的比较,对后者的性能进行了评估。仿真表明滑模变结构制导律具有弹道特性好,制导指令在时间尺度上分配均匀的优势,对于采用直接力控制的临近空间拦截器易于工程实现。研究了临近空间拦截器的控制问题。首先基于时标分离原理设计了一款用于临近空间拦截器的动态逆基控制器。之后对侧窗探测机理进行了分析,设计了侧窗约束与制导约束耦合情形下的姿态控制策略。考虑到拦截器姿控系统对控制指令的跟踪实现,在控制律与姿控发动机间设计了一个脉冲调宽调频(PWPF)调制器,将连续变化的控制信号调制成姿控发动机可识别的离散信号。最后对所设计的控制系统进行了性能评估。仿真结果表明所设计的动态逆基控制器在临近拦截场景中具有较好的快速性和准确性。最后对所设计的临近空间拦截器制导控制系统进行了六自由度仿真。仿真结果表明,所设计制导控制系统能够完成临近空间末制导拦截任务,所设计的姿态控制策略能够同时满足侧窗约束和制导约束。


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